Вся совокупность теорем наиболее простой и элементарной геометрии, которую изучают в средней школе, основана па неизменной длине отрезка, переносимого с места на место и измеряемого в различных положениях. На этом следует остановиться, так как понятие неизменной длины отрезка подводит к понятиям, которые впоследствии понадобятся для изложения основ теории относительности.
Длина отрезка прямой - это расстояние между его концами. Мы определяем положение каждой точки через расстояния между нею и другими точками, а расстояния - через положения точек. Положение точки - относительное понятие, оно может быть определенным, если указано, по отношению к каким другим точкам, линиям и поверхностям оно определено. Даже такие, не связанные с количественным измерением определения положения, как "сверху", "снизу", "справа", "впереди", тоже требуют указания на другие точки, линии и поверхности, по отношению к которым данная точка находится "снизу", "впереди" и т.д. Декарт нашел способ, с помощью которого можно количественно определить положение точки в пространстве. Если это пространство - плоскость, то нужно провести через некоторую точку на плоскости - начало отсчета - две взаимно перпендикулярные прямые, затем опустить на эти прямые (они называются осями координат) перпендикуляры из данной точки. Длины этих перпендикуляров - координаты данной точки определяют ее положение на плоскости. Пространство, в котором положение точки определяется двумя координатами, называется двумерным. Оно не обязательно должно быть плоским и может быть кривой поверхностью, например поверхностью сферы. Такова поверхность Земли, положение на этой поверхности определяется расстоянием от полюса (или от экватора) и от меридиана, принятого за начальный. Здесь в такой координатной системе (системе отсчета) осями служат уже не прямые, а кривые линии.
Чтобы определить положение точки с помощью декартовых координат в трехмерном пространстве, понадобится система, состоящая из трех взаимно перпендикулярных плоскостей. Положение точки определяется тремя координатами - длинами опущенных на эти плоскости перпендикуляров.
Мы можем заменить данную декартову систему координат иной декартовой системой, выбрав новое начало координат или проведя в ином направлении взаимно перпендикулярные оси. Такая замена называется преобразованием координат. Она меняет значения координат, но не меняет длины отрезка. Если нам известны координаты одного конца отрезка и координаты другого конца отрезка, мы можем вычислить его длину. Перейдя к иной системе отсчета, получив новые значения координат концов отрезка и вычислив вновь его длину, мы получим ту же самую величину, что и при измерении положения концов отрезка в старой координатной системе. Длина отрезка принадлежит к числу величин, которые не меняются при преобразовании координат и называются инвариантами таких преобразований.